Damage and failure characterization of randomly oriented strands (ROS) composite materials under tensile loading

Caractérisation de l'endommagement et de la rupture des composites à fibres longues et discontinues (DLF) sollicités en traction

Loïc Souffois (1, 2) , Zoheir Aboura (1) , Nicolas Carrere (2) , Pierre Feissel (1) , Cedric Thomas (2)

1 Roberval - Roberval
2 Safran Composites, Safran Group

L'une des barrières à l'usage des matériaux composites dans les nouvelles générations de moteurs pour l'aviation civile est la géométrie complexe des pièces à réaliser. Un matériau composite novateur (HexMC ®), composé de bandelettes (ou chips) unidirectionnelles de renforts fibreux longs discontinus et disposées aléatoirement, semble être un bon candidat. Cette étude s'intéresse à la caractérisation des premiers endommagements qui amorcent la rupture en traction dans le cas particulier du HexMC ®. Pour cela, différents types d'essais de traction multi-instrumentés (Corrélation d'images numériques (CIN), émission acoustique (EA), microscopie post-mortem/in-situ) ont été menés. Ainsi, les types d'endommagements présents (fissurations intra-chips, délaminage inter-chips, décohésions) ont été déterminés mais aussi leur séquencement d'apparition et leur méthode de propagation. Les chips orientées à 90° par rapport au chargement ont été directement incriminées comme étant les éléments déclencheurs des premiers endommagements. Ce sont dans ces chips en particulier qu'apparaissent les premières fissures intra-chips transversalement au chargement. Le niveau de charge d'apparition de ces premiers endommagements a également été déterminé. L'analyse combinée de l'ensemble de l'instrumentation mise en place a permis de proposer un scénario d'endommagement depuis le seuil d'endommagement jusqu'à la rupture fragile du matériau. Abstract Among the factors limiting the use of composite materials are the complex shapes to be found, for example, in aircraft engines. A new and innovative composite material (HexMC ®) unidirectional prepreg based, made of discontinuous and long strands (or "chips"), randomly oriented seems to match the demands. The goal of this study is to characterize the first damages that initiate the failure under tensile loading in the particular case of HexMC ®. For this purpose, various and multi-instrumented (Digital Image Correlation (DIC), Acoustic Emission (AE), post-mortem/ in-situ microscopy) tensile tests were conducted. Not only the types of damage were determined (intra-chips cracks, inter-chips delamination, debonding) but also the sequence in which they appear and the way they propagate. Cause of the first damages is attributed to chips oriented at 90° with respect to the loading direction. These particular chips are the ones in which appear the first intra-chips cracks transversely to the loading direction. The loading level at which occur the first damages is determined as well. Through this study and the multi-instrumented analyses, a damage scenario was created from the first damages until to catastrophic failure.

Domaines: Matériaux; Mécanique des matériaux [physics.class-ph]

Loïc Souffois, Zoheir Aboura, Nicolas Carrere, Pierre Feissel, Cedric Thomas. Caractérisation de l'endommagement et de la rupture des composites à fibres longues et discontinues (DLF) sollicités en traction. 2019. ⟨hal-02106599⟩